基于Zigbee和GPRS的水質監測系統節能設計

周皓東， 黃 燕， 劉 煒

(江西省科學院，江西 南昌 330029)

基于Zigbee和GPRS的水質監測系統節能設計

周皓東， 黃 燕， 劉 煒

(江西省科學院，江西 南昌 330029)

針對無線化的水產養殖水質監測系統耗能大、電池壽命短的問題，設計了基于Zigbee和GPRS的節能型水質監測系統。通過采用低功耗器件，在電源與傳感器、信號調理電路之間添加選通芯片ADG1414控制各模塊分時分區工作，減少各模塊的供電時間來降低硬件能耗；通過設置閾值對采集的數據進行判斷，對閾值范圍內的數據不發送，減少數據發送量，從而減少系統數據發送能耗。以 CC2530為核心構建無線傳感網絡，將傳感器采集到的溫度、pH、溶氧等水質參數傳輸至監測中心，構建實時監測平臺，并在此基礎上建立數據管理系統，實現對水產養殖水質環境的實時監測。系統測試與實驗結果表明，該系統節能效果顯著，能有效延長無線水質監測系統電池的工作時間。

Zigbee；GPRS；水質監控；節能；水產養殖

近年來隨著經濟的高速增長，水域養殖環境呈現一定程度的惡化，漁業養殖中大面積的魚蝦死亡事件時有發生，給養殖戶帶來極大的損失[1-4]。對養殖環境的實時監測，有助于及時了解養殖對象的生活環境，在出現問題時可及時采取相應措施[5-7]。無線傳感網絡技術近年來在水質監測系統中的應用越來越多[8-12]。Zigbee技術是其中一種常用的無線通信網絡技術，具有近距離、低成本、低功耗、低數據速率的特點[13-17]，在水質監測領域得到越來越多的應用。但無線傳感網絡一般采用電池供電，電池電量有限[18-19]，數據采集系統的各模塊長期處于工作狀態耗能較多，同時，傳感網絡和管理機之間定時發送數據耗電也較多。在多數情況下，水質變化較為緩慢，對水質數據的獲取無需太過頻繁，當水質變動達到一定程度后再進行數據傳輸，將會大大減少發送數據的次數，從而降低無線傳感網絡的電池能耗，延長電池壽命。

本文基于Zigbee技術與GPRS/CDMA，構建節能型水質監測系統，并應用于水質監測系統的無線傳感網絡中。通過采用低功耗器件，利用選通芯片控制各模塊分時分區工作，設置數據變動閾值，減少無效數據的發送量，使系統更加智能與節能，同時實現對溫度、pH、溶氧等水質參數的實時采集與監測。

1 系統總體設計

1.1 系統結構設計

本系統主要由終端節點、路由節點、匯聚節點、網關節點、服務器及顯示屏構成(圖1)。環境監測區域為由終端節點和路由節點組成的無線傳感網絡。采用Zigbee通訊技術，終端節點為采集各個參數的傳感器，該節點將數據發送給路由節點，各個路由節點及唯一的匯聚節點形成網狀自組織網絡，以多跳的形式將信號發送給匯聚節點。該節點處于環境監測區域旁的本地監測區域，距離滿足要求，該節點的地址為0x0001，匯聚節點通過RS232將匯集的數據發送至本地監測中心。本地監測中心的服務器及顯示屏可顯示所檢測到的情況，網關節點通過RS232將匯聚節點與TC35i連接，實現了ZigBee網絡和GSM網絡通信接口之間的轉換，數據通過GPRS網絡發送至用戶手機，使用戶對水質的了解更便捷。同時也開發了用于遠程監控的網站，用于在電腦上進行遠程監控。

圖1 系統架構圖

1.2 系統節能設計

為實現無線化，在環境監測區域通常避免使用市電供電，所以采用電池供電。考慮到系統維持生命周期長度與系統能耗成反比，因此需要盡量選擇體積小、容量大的電池，并盡量減少各個模塊能量的消耗。針對減少各模塊能量消耗問題進行研究。

假設單位節點電源能量初始值為E，單位時間內該節點消耗的能量為Et，根據本文方案，單位節點的電池續航時間：

T=E/Et

(1)

Et=Esend+Er+Esensor+ECPU+Ecost

(2)

式中：Et包括單位時間內節點發送信號的能量Esend，節點接收信號所需的能量Er，傳感器采集信號及信號調理電路所需的能量Esensor，處理器處理數據所需的能量ECPU，以及未計算在內的能量損耗Ecost。要使T盡可能大，在E固定的情況下，需減小Et值。

由于終端節點接收的數據僅為路由節點或匯聚節點定時發送的網絡數據連接確認信息，所以Er基本為固定值，Ecost也可認為是固定值。在傳感網絡中，節點采集/處理/發送信號是間歇性的，不需要一直處于工作狀態，因此可以通過控制其工作時間來節約能量。

設溫度、溶氧、pH傳感器、CPU工作時功率分別為P1、P2、P3、P4，休眠時分別為Pb1、Pb2、Pb3、Pb4，路由節點發送數據時功率為P5，休眠時功率為Pb5，則Et可表示為：

(3)

式中，a為各模塊工作的占空比，δE為無法進行管理的能量損耗，經整理，Et又可寫成：

(4)

則電池的續航時間為：

(5)

式中：Pi和Pbi在選定硬件后即為固定值，且Pi?Pbi≈0 ，所以式中只有a為可以改變的值，且從式(5)可以看到，越小T越大，因此，應當在保證數據有效發送的情況下盡量減少各模塊的工作時間。具體措施應當從硬件和軟件兩個方面進行優化，硬件方面設法控制各個模塊的電源供應時間，軟件方面設法減少各個節點所發送的數據量。

2 系統硬件設計

2.1 節點硬件設計

無線傳感網絡節點包括終端節點、路由節點、匯聚節點及網關節點。終端節點由相應傳感器、信號調理電路及處理器組成，路由節點由與終端節點一樣的處理器構成。匯聚節點與網關節點在本地監測中心，使用市電供電并無不便之處。因此，本文主要討論終端節點的節能。

終端節點由各個傳感器負責采集信號。溫度傳感器采用美國Dallas半導體公司生產的DS18B20溫度傳感器；pH傳感器采用雷磁E-201-C型pH復合電極；溶氧傳感器采用雷磁DO-955溶氧電極。AD轉換采用CC2530內置的AD轉換模塊，設置12位的分辨率，該模塊有7個AD轉換通道，完全滿足信號輸入要求。

CC2530為終端節點、路由節點以及匯聚節點的主控芯片，是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案。它具有不同的運行模式，使其滿足較低功耗條件；其系統內有8KB RAM，以及可編程32/64/128/256KB的閃存，使得收發數據容量得到保證；21個通用I/O口可連接各個傳感器，采集相應數據[20]。

2.2 硬件節能技術

為使系統更加節能，傳感器、信號調理電路、處理器等硬件選用低功耗器件，并且在電源與傳感器、信號調理電路之間添加選通芯片ADG1414，該芯片能控制各模塊分時分區工作(圖2)。

圖2 電源控制模塊

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件功能設計

首先需對系統進行初始化，在模塊上電后，對外部時鐘、無線寄存器、通信接口等外部硬件電路進行初始化；其次ZigBee網絡是以Z-Stack協議棧為基礎的，因此需初始化協議棧；再次是需搜索是否有可用的信道，若有，則選擇最近的信道加入，若無，則繼續搜索。在此，為了節約電量，采用周期性發送的機制，每隔一個固定時間，節點被喚醒，開啟無線通信功能，發送相應數據，其它時間處于休眠狀態，從而達到既有效發送數據，又節約電量的效果。

路由節點主要是實現ZigBee網絡構建以及數據收發。在路由節點上電后，首先對相關硬件及協議棧進行初始化，并對信道進行掃描，選擇可用信道，構建ZigBee網絡，給申請加入信道的傳感器數據進行地址分配，并設定相應路由表以維護其與終端節點的關系，一旦接收到數據，立刻將其轉發出去。

3.2 GSM通信驅動程序設計

網關節點主要由GSM模塊組成，終端節點通過RS232與GSM模塊相連，首先由CC2530向TC35i發送相應的AT指令以進行聯機測試。這包括對波特率(9 600 bit/s)、禁止指令寫回及工作模式進行設定，并通過發送AT+CMGS=N指令以設定短消息長度。本設計采用PUD模式的發送協議，相較文本格式，其支持任何形式的編碼，且不需預置編碼選項。最后，數據包通過RS232發送給TC35i，并寫指令(0X1A)以啟動TC35i發送數據。

3.3 軟件節能技術

大家現在經濟獨立了嗎？沒有。大家的經濟來源是父母。父母省吃儉用，把我們送到學校來讀書、學習，為走向社會奠定基礎。我們能不能拿著父母的血汗錢，為我們還在高一的所謂愛情買單？那么，同學們，請問：現在的你們適合戀愛嗎？

有研究表明，無線傳感網絡傳輸數據所需能量比處理數據所需能量大得多，一條數據傳輸100 m所耗能量可執行300條數據處理命令[21]。因此，減少數據的傳輸量，取而代之的是處理器對信號的處理，將有用的數據發送出去，無意義的數據不發送，從而達到節能效果。

水產養殖環境一般情況下水質情況都比較正常，若將正常數據發送給監測區，不僅浪費能量，而且浪費內存。因此，本系統利用節點處理器的處理信號能力以及存儲能力，將采集到的信號進行閾值處理，符合正常范圍內的數據不發送，若數據超出正常范圍，則將信號進行轉發。通過這種方法，可以減少數據發送，以減少電池能量的消耗。

以采集數據的相對變化率作為閾值設置依據，當本次采集數據與上次數據的相對變化率達到一定值時，啟動發送。

(6)

式中：Pi—本次采集數據；Pi-1—上次采集數據。

4 管理系統的實現

系統的管理核心為上位機，因此上位機管理系統的功能實現是重點，主要需實現串口數據收發、本地監測界面開發、數據處理、遠程監測網站建立、Web服務及數據庫建立等。上位機使用Microsoft Visual Studio 2010軟件采用MFC應用程序框架進行設計，以實現數據接收、數據存放及歷史數據查詢等功能。當監控人員登陸界面查找相關資料時，系統可以調用數據庫中的歷史數據，并可遠程登陸查看監控數據，實現遠程監控功能。上位機軟件結構如圖3所示。

圖3 上位機軟件框圖

數據處理模塊對串口接收的數據進行解析，并將解析后的數據發送至數據庫，在本地監測中心查看信息時，該模塊從數據庫讀取相應數據。網絡服務模塊提供遠程瀏覽器訪問本地服務器的瀏覽服務，以便遠程監測人員通過互聯網登陸網站查看相應信息。數據庫服務模塊實現了數據處理模塊、網絡服務模塊與數據庫之間的交互工作，在此采用SQLServer2000對數據庫進行設計。

5 系統試驗與測試

在實驗室對該水產養殖系統進行節能試驗。將燒杯加水模擬水池，每個燒杯中放置2個終端節點(傳感器組合)，設置6個燒杯，對應12個終端節點，1個路由節點，1個匯聚節點，試驗布局如圖4所示。

圖4 實驗布局圖

每個終端節點均采用2 200 mAh的9 V鋰電池供電，且其與路由節點的距離均為1 m，路由節點與匯聚節點均不采用電池供電，為使電池電量更快耗盡，每隔10 min采集1次數據。

試驗采取4種方案：節點1、3、5一直工作，并定時發送所有數據；節點2、4、6一直工作，只定時發送問題數據；節點7、9、11分時工作，并定時發送所有數據；節點8、10、12分時工作，只定時發送問題數據。由測試結果(表2)可以看出，方案1最耗能；方案2可延長電池壽命49.6 h；方案3與方案1相比延長1 105.6 h，接近延長1倍；方案4較方案3減少了部分數據發送，但僅延長壽命5.7 h。因此，為確保數據不丟失和程序的簡潔性，綜合考慮，選擇方案3作為最終節能方案。由于在實驗中，傳感器的采樣周期為10 min，方案3可正常工作94 d。實際系統中，傳感器的采樣周期為30 min，預計可正常工作280 d左右。

表2 測試結果

5.2 系統測試

在某水產養殖基地對本設計系統進行了測試。試驗時采用方案3，部署了12個終端節點、4個路由節點和1個匯聚節點(圖5)。

圖5 節點布局圖

其中，1～12為終端節點，13～16為路由節點，0為匯聚節點。電池采用全新的9V鋰電池，傳感器終端每隔30 min對水質參數進行1次采樣。測試3個月后將相應的電池在實驗室進行剩余電量估算，得到各節點電池的能耗情況(圖6)。

由圖6可知，終端節點的剩余電量幾乎為總電量的2/3，由此可估計終端節點可正常工作大約300 d，與之前實驗室所得數據基本吻合。路由節點13、14、15剩余電量約為總電量的3/5，可見轉發數據所需能量相對較多。路由節點16剩余電量為總電量的1/2，所耗能量較多，這是因為其需要負責所有數據的轉發。由此可見，采取節能策略后的終端節點可正常工作約300 d，普通路由節點可工作250 d，若轉發數據任務越重，耗能越多。

圖6 電池能耗測試結果

6 結論

以Zigbee為核心構建的無線水質監測系統可實現對水溫、pH、溶氧等參數的有效監測，通過利用選通芯片控制各模塊的供電時間，對采集的數據進行有選擇性的發送，可大大降低整個無線監測系統的能耗。與傳統的傳感器一直工作、數據全部發送模式相比，電池使用時間可延長接近1倍，節能效果顯著。

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Energy-saving design of water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS

ZHOU Haodong, HUANG Yan, LIU Wei

(Jiangxi Academy of Sciences,Nanchang 330029, China)

As to high energy loss and short battery life of wireless water quality monitoring system for aquaculture, energy-saving water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS has been designed. Low power device is used to install gating chip ADG1414 between the power source and the sensor/signal processing circuit to control time-sharing and partitioned operation of each module, and reduce the power supply time of each module to reduce energy consumption of the hardware; a threshold is set to judge the collected data, and data within the range of threshold will not be sent, so that less data is sent and energy consumed by sending system data is reduced. Wireless sensor network centered on CC2530 is built to transmit the temperature, pH, dissolved oxygen and other water quality parameters collected by the sensor to the monitoring center, and real-time monitoring platform is built, based on which data management system is established to realize real-time monitoring of water quality environment for aquaculture. The results of system test and experiment show that the system can save energy effectively and extend the operation time of the battery for wireless water quality monitoring system effectively.

ZigBee; GPRS; water quality monitoring; energy-saving; aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.004

2017-05-04

南昌市科技局對外科技合作項目(2013HZCG009)

周皓東(1975—)，男，碩士，副研究員，研究方向：電子信息及其應用。E-mail：zhoudonny@qq.com

TP277

A

1007-9580(2017)04-024-06